燃气热水器温度控制系统硬件设计.docx

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燃气热水器温度控制系统硬件设计

摘要

燃气热水器在日常生活中使用较多，燃气热水器必须安装在室外通风良好的地方，而且大多都是人工调节水温，如果在使用过程中需要调节水温就要出浴室调节，这样就给使用者带来极大的不便。

本文研究了单片机控制的燃气热水器水温自动调节系统硬件设计的有关问题。

本文按照高可靠性、实用性强、操作方便等设计原则，设计了合理的燃气热水器温控系统的结构：

论文分析了系统设计要求和各项性能指标，探讨了各个元件的选择问题，提出了采用8位单片机89S51和DS18B20温度转换器构成温度采集系统的方案，较之采用16位的单片机和热敏电阻加A/D转换器的温度采集系统具有较高的性价比；为了提高温度控制精度，采用数字PID控制，可实现温度的连续可调；为了提高步进电机的抗干扰能力和驱动能力，设计中采用了施密特触发器和达林顿功率放大器作为步进电机驱动；为加强系统的安全性能，设计中还加入了看门狗和声光报警电路；最后，制作出了工程样板并进行硬件模拟调试。

实际调试结果显示硬件设计基本达到了要求的技术指标，对比分析可知此设备具有良好的应用前景。

关键词：

单片机；温度转换；步进电机；DS18B20

ABSTRACT

Thegaswaterheaterbecomesmoreandmorepopularinourlives.Butitmustbeplacedoutdoorwheretheairconditionisbetter.Whenwewanttochangethetemperatureofwater,wehavetoturnthetapbyhand.Itbringsmuchinconvenienttous,especiallyinbathing.Thispaperstudysomequestionabouthardwaredesignforautomatictemperaturecontrolsystemcomposedofsingechipmicrocomputer.

Thispaperdesignthesystembasedontheprincipleofhighreliabilityandsuitableforrealityuse.Itanalysesthemainrequestofthesystemandtalkabouthowtochoosetheelements.Thesystemiscomprisedof8-bitsingechipmicrocomputerATMEL89S51andtemperaturetranslatorchipDS18B20accordingtotherequestofdesign.Comparedtothechoiceof16-bitsingemicrocomputer,A/Dtransformcircuitandsensitiveelement,ithasahighprice-functionratio；Inordertoimprovetheaccuracy,wechoosethePIDcontrolmathtic;forthesamepurpose,weusedagooddrivechipinthesteppingmotorcontrol.Theuseof“Watchdog”chipisgreatlysalutethequestionofreliability.

Theresultofexperimentsuggestitaccordtothemaintechniquerequest.Itmusthaveawidespaceofdevelopment.

Keywords：

Singechipmicrocomputer；temperaturetranslation；steppingmotor；chipDS18B20

目　　录

第一章　绪论

1.1　选题意义

1.1.1　燃气热水器简介

所谓燃气热水器就是指以气体燃料燃烧为热源的热水器的统称，是一种小型的热力设备。

它的工作原理大体是这样：

燃气在燃烧室内完全燃烧，产生高温烟气。

高温烟气流经换热器，把换热器中的冷水加热为所需的卫生热水。

燃气热水器有这些分类方式，按使用气种可以分为使用天然气、人工煤气和液化石油气3种。

按结构可分为容积式和直流式。

按给排气方式可分为：

直排式、烟道式、平衡式、强排式、强制给排气式等。

相对于其它类型热水器而言，燃气热水器具有这样一些优势：

不需预热；节能；不结垢、寿命长；使用成本低；款式超薄纤细，外观时尚。

第一台燃气热水器诞生已经超过了100年。

而燃气热水器技术的发展主要是二战之后50多年的时间内完成的。

我国的燃气热水器生产也有近30年的历史。

燃气热水器的发展迄今为止经历了三个阶段：

（1）以实现简单功能为目的的第一阶段：

作为第一阶段代表的燃气热水器是热水流量为5L/min的小型热水器。

采用压电陶瓷点火方式，小火先着，水气联动控制阀、控制点火，互相独立的气、水调节阀门，热电偶式的熄火保护装置。

这种类型的热水器具有初步的安全性保证，满足基本功能，操作也不复杂，但很快显现出的问题在于：

点火装置的可靠性与寿命；熄火保护装置的寿命；操作的相对烦琐。

特别是热电偶式熄火保护装置在点火初期的时间延迟操作，令使用者倍感不便。

因此，这一阶段的后期，热水器在此基础上做了一些更新：

点火装置由压电陶瓷变为电脉冲式，引入了内置电源，同时取消了熄火保护装置，水—气联动阀是热水器上唯一的安全装置。

（2）以完善使用特性为目的的第二阶段：

自吸阀的引入是对完善使用特性的重要贡献，而以水驱式自动点火作为主要特征，这一进步使燃气热水器的技术品质有了一个质的飞跃。

虽然这种类型的热水器仍然由电脉冲点火装置、水—气联动阀、自吸阀、独立的水—气调节装置构成，但其使用性能有了很大的提高，表现为：

操作极为方便，使用更为安全。

一开水点火便自动进行，在一般情况下，热水器安装在浴室外成为可能，这使燃气热水器使用的安全隐患大大减低。

自吸阀灵敏的熄火保护特性，使热水器非燃烧状态的燃气泄漏现象几乎不会出现。

有别于自吸阀的一些安全装置也有出现，目前采用自吸阀的燃气热水器依然是市场的主流。

此外，热水器的大流量化进一步兴起，出水量超过8L/min的品种增加，市场进一步扩大。

（3）以追求高品质为目的的第三阶段，目前正处在第三阶段的兴盛期，亦是竞争最激烈的时期。

从事热水器研究与生产的业内人士，同时在追求燃气热水器的更高品质。

这主要表现在先进控制技术的引入，目的是解决燃气热水器使用中仍然存在的主要矛盾：

出水温度调节给使用者带来的问题，水温度的调产品，线控热水器、恒温热水器、智能型热水器亦有出现。

同时，在安全节范围不能满足其使用要求，尽管这种感觉是错误的，只是由于调节过程的复杂性以及使用者对于调节过程的理解障碍所导致，但为解决这一问题，似乎能用热水器本身提供的装置自动解决更为合适。

这便是追求热水器更高品质的原因。

作为特征性保障方面，缺氧保护装置、防止不完全燃烧装置的使用更是使燃气热水器的综合性能有了极大的提高。

1.1.2燃气热水器的发展趋势

随着社会生产力的发展以及人们生活水平的提高，燃气热水器也在不断更新、发展，以满足人们对较高生活品质的追求。

而今燃气热水器正朝着以下这些方向发展：

（1）安全性能不断完善

燃气热水器对人体的安全威胁主要是燃烧所产生的烟气。

随着排气方式不断地改革，热水器的安全使用已基本得到解决。

而安全问题在燃气热水器开发过程中始终是处于重要的位置。

（2）舒适性的提高

燃气热水器使用的舒适性便是人们关心的重要问题。

作为淋浴用热水器要实现舒适沐浴有两个基本要求：

一是水温，二是水量。

为提高使用舒适性，国内正在研究的课题有：

a）扩大热水器的负荷调节比，要求不小于20％～100％（即冬夏型功能），国外热水器负荷调节均在30％～100％；b）发展良好恒温性能的智能化热水器，满足使用过程中水温波动在设定值±1℃范围内；c）实现低的水流阻力，大的水量并维持使用过程中水量相对稳定且不低于7L/min；d）热水器低的运行噪音，希望维持在50～60分贝；e）快速加热功能，减少开始使用或关机后重新启动时的冷水量；f）快速水温恒定功能，以避免淋浴水时冷时热现象。

（3）更加环保

我国燃气热水器标准中现在除规定了对排烟CO含量的限制外，即限制燃烧不完全程度，还对排烟NOx含量作了要求。

（4）向更为节能的方向发展

发达国家对燃气热水器提出低污染环保要求的同时也提出进一步节能的要求，即鼓励支持高效低污染燃气热水器的研制。

节能的深远意义不仅是节约开支而是国民经济可持续发展的要求。

（5）功能的多元化

从单一淋浴发展为多功能的热水器：

a）供暖/淋浴两用；b）制冷（空调）/淋浴两用；c）其它多功能多用途的热水器。

燃气热水器虽然容量小，但分布量大面广，其发展和社会的千家万户有着密切的关系。

目前燃气热水器正在向着大容量、高效节能和减少环境污染的方向发展，其发展目标主要包括燃烧系统高效率低污染的自动控制燃烧和热交换部件传热效率的提高、公众安全性以及满足现代生活的舒适感。

1.1.3现有燃气热水器温度调节方案及不足

目前市场上燃气热水器产品的温度控制基本上采取两种方案：

（1）机械旋钮式：

热水器的温度调节是通过机械式旋钮实现的，有火力调节旋钮和水量调节旋钮共同控制。

火力调节旋钮按标识调小时，热水温度降低；调大时，热水温度升高。

水量调节旋钮按标识调小时，水流量减少，热水温度升高；调大时，水流量增大，热水温度降低。

用户可以调节合适的热水温度（推荐沐浴温度范围为38℃～42℃）洗浴。

（2）数字式

这种方式下，水温的调节是通过数字控制实现的，当需要出水温度升高时，则微电脑控制比例阀开大，燃气压力升高，水温升高；反之，则比例阀开小，水温降低。

在实际生活中，我们发现绝大多数的中、低档产品都采用机械旋钮式方案，而这些产品恰恰式市场的主流。

但是，此类热水器还存在许多不尽如人意的地方，因为该类燃气热水器使用的是煤气和氧气进行燃烧产生热量，需要安装在室外通风良好的地方，否则氧气不足会造成煤气不完全燃烧而产生一氧化碳对人的生命构成威胁，而对热水器的控制调节都在机体上，以致洗浴时需要预先调节好水温，有时候遇到水压不正常就造成水温浮动不定，使洗浴者又要出来调节水温，这样不仅浪费水和燃气，而且给洗浴者带来极大不便。

基于以上考虑，本方案拟设计一个基于单片机控制的燃气热水器水温自动调节系统，即通过室内的控制器，输入预定温度，由执行机构自动快速地调节到预定温度，以解决上述问题。

而单片机控制的机械旋钮式水温控制调节系统不失为一种很好的选择。

1.2课题的主要研究内容

本论文主要进行燃气热水器硬件设计，本文将完成以下几个方面的工作：

（1）在了解燃气热水器结构的基础上，完成燃气热水器水温嵌入式调节控制系统的设计。

（2）分析实现该设计的各种芯片功能。

（3）掌握Protel99se使用，学会印刷电路板的制作。

（4）分析系统的性能要求，完成电路板制作和样品调试过程。

第二章系统分析与设计基础

2.1燃气热水器对象分析

2.1.1燃气热水器系统组成及工作原理

燃气热水器结构上包括控制，供水与加热，燃气供应与燃烧，供风与排气等多个组成单元，图2.1表示出了具体研究的燃气热水器的结构。

图2.1燃气热水器结构

生活水回路，进水一端接冷水，出水一端接洗浴装置。

冷水进水端打开以后，水的压力控制安全阀打开，燃气进入喷嘴，同时电子打火装置也开始工作，燃气开始在燃烧室内燃烧，冷水经过热交换器变成热水供人们使用。

通过控制比例阀的大小可以控制火力的大小从而控制水温。

2.1.2燃气热水器温度控制对象分析

影响热水器出水温度很多。

例如进水温度，进水流量，燃气燃烧值，燃气流量，热交换器效率，热水器尺寸和环境温度等。

而且燃气热水器的加热过程具有可变的时延迟特性，运行包括化学反应，传热和流体运动等过程，其精确的数学模型很难建立起来。

但可通过试验曲线的测试，对各个控制量进行调整。

仿人智能控制不需要建立过程控制对象精确的数学模型，仅需要获取过程控制对象简化的模型结构和近似的主要特征参数。

不考虑管路系统的复杂性和难控性，根据热平衡关系：

　（2.1）

其中：

——当前出水温度，单位℃；

——当前进水温度（生活水）或回水温度（采暖水），单位℃；

V——当前水的流量，单位kg/s；

k——卡到焦耳的单位转换系数，为4.18kJ/kCal；

W——燃气热水器热负荷（输入热量），单位kW；

n——燃气热水器热效率。

又有：

W=VgH（2.2）

其中Vg为燃气流量，H为燃气的热值，将式（2.2）代入（2.1）得：

=

+nVgH/kV（2.3）

由该式可以看到，

、Vg和V影响

的大小，因为本文研究的对象硬件上不对V进行检测、调节，它只调节Vg，以此来实现对

的控制，这也就是燃气热水器实现温度调节的原理。

假设出水温度就是燃气热水器水体的温度，建立热水器水体温的微分方程为：

（2.4）

其中：

m——热水器水体的质量，单位kg；

T——热水器水体温度，单位℃；

c——水的热容，值为1kcal/kg℃；

对（2.4）两边进行拉氏变换，得到如下方程：

（2.5）

（2.6）

从上面的结果可以看出，热水器水体温度控制的模型是由两个一阶惯性环节，实际的系统存在滞后环节，系统模型还需要串连一个纯滞后环节，滞后的时间

。

生活水加热系统模型结构如图2.2所示。

图2.2燃气热水器加热系统模型

从以上分析的简化模型可以看出，加热系统工作的水流量是不确定的，按照燃气热水器的型号不同，正常的生活水工作流量范围是3L/min～9L/min，不同的水量使得加热系统的开环增益各异，而且实际应用中，水流往往有一定幅度的波动。

此外，这两个过程还含有纯滞后环节。

这些因素给燃气热水器温度控制带来了难度，控制的难度造成现有温度控制算法的控制效果不理想。

鉴于PID控制理论在一些难控过程中的成功运用，本文将其应用于燃气热水器温度控制。

2.2燃气热水器温度控制系统设计

2.2.1　系统的设计要点

燃气热水器控制器的设计主要考虑的要点是安全性、舒适性、操作方便性以及成本等因素。

这些要点尤其是对控制器的应用软件设计提出了较强约束和严格要求。

（1）安全性：

安全性是整个系统设计首先需要考虑的问题，虽然燃气热水器发展到今天可以认为基本解决了安全性的问题，但是诸如燃气泄漏、烟气泄漏、水温偏高导致烫伤等安全事故还是偶有发生，所以保证系统运行安全可靠是控制器设计的基本要求。

安全性设计首先要解决的问题就是避免燃气泄漏和烟气泄漏，要保证做到燃气热水器工作于燃烧状态时烟道畅通；要严格控制燃气阀的开闭；要做到控制器意外死机后燃气阀能及时关闭等。

其次要解决的安全性设计问题是避免生活水和采暖水水温偏高，要保证水温过高时控制器中断加热或停机报警。

（2）舒适性：

舒适性即洗浴的舒适性，也就是要求对生活水出水温度进行良好的控制。

温度控制是控制器设计的最重要的任务，控制器设计是否成功关键就是看它对出水温度的控制效果。

参照普通燃气热水器的标准，燃气热水器生活水温度控制的指标如下：

a）控温精度：

热水器的实际出水温度达到稳态后与设定出水温度相比较，其稳态误差不大于±1℃。

b）初始加热时间和超调量：

按GB6932-94之规定，在标准测试条件下，将燃气热水器的进水量调至额定水流量，设定出水温度为进水温度加上20℃，燃气热水器从冷机开始起动加热并将水加热至设定温度的时间不大于20秒，且燃气热水器的出水温度的超调不大于3℃。

c）进水量变化时的超调：

按GB6932-94之规定，在标准测试条件下，将燃气热水器的进水量调至额定水流量，在燃气热水器的出水温度达到稳定后，将燃气热水器的进水量瞬时变化±20%时，燃气热水器出水温度的超调不大于±3℃；将燃气热水器的进水量瞬时下调50%时，燃气热水器出水温度的超调不大于8℃。

从指标可以看出，对生活水温控制的“稳、快、准”要求较高。

另外为了保证舒适性，在进水量不同的情况下也要求对生活水温度进行良好的控制，也就是要求控制器的鲁棒性要强。

（3）操作方便性：

控制器对使用者是不可见的，他只有通过控制器的人机接口将指令传达给系统。

操作的方便性就是力求设计简便的流程来实现使用者设置工作方式、设置洗浴、采暖温度等操作，以达到双功能燃气热水器使用方便快捷的目的。

（4）成本：

燃气热水器最终是要形成产品，进入千家万户使用。

而成本是一个产品必须考虑的，尽可能在满足各方面要求的前提下降低成本是厂家追求的。

作为整个产品的一部分，控制器也必须尽量压低成本，尽量做到用较小。

（5）功能要求：

控制器的设计要体现出产品的智能化，除了要实现生活水出水温度控制以外，它还要具有如下功能：

提供人机交互——用户可以设置出水温度；故障报警等等。

2.2.2　嵌入式系统设计原理

嵌入式系统一般由嵌入式微处理器为核心构成，实现对其它设备的控制、监视、管理等功能。

在实际应用中，嵌入式系统更多是以单片机为核心组成。

以单片机为核心的嵌入式系统具有功能强大，成本低廉等特点，已经被广泛应用于各领域中，也被应用于燃气热水器控制。

如今，国内外多款燃气热水器产品也是选用的以单片机为核心的控制器。

燃气热水器是面向市场的产品，成本控制非常重要。

以嵌入式系统构建燃气热水器控制器，相对于其它控制器实现方案在成本上具有非常大的优势，同时也能满足控制器在功能等其它方面的要求。

此外，嵌入式设计理论经过长期发展已经比较成熟，形成了一套较完善的理论，该理论给双功能燃气热水器控制器的硬件、软件设计提供了指导，有利于控制器的顺利开发。

2.3　系统的性能指标

1．测温范围：

0～99℃

因为被控参数是水，其工作状态始终是液态，所以其工作温度就是在0～99℃之间，两位LED数码管显示，其显示数值范围是0～99℃，代表温度范围是0～99℃。

同时，根据多年总结的控制经验，当燃气热水器处于最佳工作状态时，最适合温度应该稳定工作在40℃左右。

2．设定温度

用户可以自行设定任何一个测量点的温度数值，数字小键盘输入、两位LED数码管显示，其显示数值范围是0～99，代表温度范围是0～99℃。

4．掉电数据保护和系统故障复位

利用硬件看门狗（watchdog）电路，具有掉电数据保护功能和系统故障复位功能。

当系统突然失电时，可以利用硬件看门狗中的EEPROM数据储存器，将控制系统中的正在运算的数值和结果保存起来，当系统恢复供电后，单片机再从看门狗中读出这些数据，从而保证了系统中临时数据的安全。

同时，当系统出现故障死机或者程序跑飞进入某个死循环后，可以利用看门狗电路向单片机发出复位信号，使系统重新开始运行。

5．报警功能

当温度测量数值偏离设定数值时，系统会自动报警，以提醒用户及时查明故障原因和解决问题。

同时当温度调节到位也由蜂鸣器发声，告知用户温度调节完毕，实现智能化。

2.4本章小结

本章主要分析燃气热水器系统组成和工作原理，分析温度控制对象，结合控制系统设计的要点和原理，提出了系统的性能指标并了解整个系统大概的研究方向和制作方法，为以后全面展开工作做好了准备。

第三章　硬件电路的设计

3.1　核心部件MPUAMETL89S51介绍

3.1.1AMETL89S51概述

下图是MCS-51系列单片机的基本结构框图。

图3.1单片机基本结构框图

在—小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，每一片单片机包括；

（1）一个8位的微处理器CPU。

（2）片内数据存储器RAM（128B/256B），用以存放可以读/写的数据，加运算的中间结果、最终结果以及欲显尔的数据等。

（3）片内程序存储器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。

但也有—些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等。

（4）四个8位并行I/O（输入/输出）接口P0—P3，每个口可以用作输入，也可以用作输出。

（5）两个或三个定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可根据计数或定时的结果实现计算机控制。

定时器T1还可以用来做通讯时的波特率发生器，这点将在后面进一步介绍。

（6）五个中断源的小断控制系统。

（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。

（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为12MHz。

以上各个部分通过内部数据总线相连接。

3.1.2AMETL89S51片内存储器

89S51片内有以ROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读、可写）两类，它们有各自独大的存储地址中间，与一般微机的存储器配发方式很不相同．

（1）程序存储器（ROM）

89S51及875l的片内程厅存储器容量为4K字节，地址从0000H开始，用于存放程序和表格数据常数。

（2）数据存储器（RAM）

89S51/8751/8031片内数据存储器均为128字节，地址为00H～7FH，用于存放运算的中间结果、数据哲存以及数据缓冲等。

在这128字节的RAM中，有32个字节单元可指定为工作寄存器，这同一般微处理器不同。

89S51的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。

此外，89S51单片机内部中还有SP、DPTR、PCON、…、IE、IP等特殊功能寄存器，它们也同128字节RAM在一个队列里编址，地址80H～FFH。

在这128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器（SFR），达些特殊功能寄存器还包括P0～P3门锁存器。

3.1.3MCS-51单片机引脚及其功能

MSC-51系列中各种芯片的引脚是互相兼容的，如89S51、8751和8031均采用40引脚双列直插封装（DIP）方式。

当然，个同芯片之间引脚功能也略有差异。

89S51单片机是高性能单片机、因为受到引脚数日的限制，所以有不少引脚具有第二功能，其中有些功能是8751芯片所专有的，如图3.2所示。

图3.2MCS-51引脚图

各引脚功能简要说明如下：

1.电源引脚Vcc和Vss

Vcc（40脚）：

电源端，为十5V。

Vss（20脚）：

接地端。

2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL2（18脚）；接外部晶体和微调电容的一端。

在89S51片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。

若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外时钟脉冲。

要检查89S51/8031的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。

XTAL1（19脚）：

接外部晶体和微调电容的另一端。

在片内它是振荡电路反相放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚必须按地。

3.控制信号引脚RST、ALE、

和

RST/

（9脚）：

RST是复位信号输入端，高电平有效。

当此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。

RST引脚的第二功能是

，即备用电源的输入端。

当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时